商業可重複使用火箭關鍵技術與創新

雖然SpaceX在復用一級助推器和整流罩情況下，單次發射成本降到了1500 萬美元，但在2022年出現了相對有競爭力的對手，那就是美國相對論空間公司開發的「人族」系列運載火箭。其即將首飛的「人族」1運載火箭高約33.5m，能將最大1250kg的有效載荷發射至185km的LEO，將900kg的標稱有效載荷發射至500km的太陽同步軌道（SSO）。發動機採用燃氣發生器循環、自增壓和燃氣火炬式點火。每台發動機均由液氧和甲烷推進劑提供動力。一子級Aeon 1發動機推力可達110kN，二子級Aeon Vac發動機推力可達132kN。目前Aeon發動機完成了300多次點火試驗。其可重複使用構型「人族」R火箭，配備了7台3D列印的Aeon R火箭發動機，每台發動機的推力為135kN，「人族」R將能向近地軌道發射20t以上的有效載荷。

目前，SpaceX公司正在研製BFR超級火箭，高度約為81m，直徑12m，安裝42台「猛禽」發動機，起飛質量超過8000t。BFR的開發測試理念是「測試、飛行、失敗、修復、重複」，原型開發測試從2018年12月開始，至今已經建造並測試了20多個原型。其「猛禽」發動機是全流量循環發動機，使用液態甲烷+液氧，具有高可靠性和低成本的優勢，推力面積比最高，1.3m噴管直徑能提供2000kN以上的推力，且造價低於220萬美元，是完全為重複使用優化的發動機。截至2022年11月，SpaceX公司的「星艦」S24和「超重型」B7終於再次「合體」。「合體」之後，首先是要對發射塔的快速斷開（QD）接口進行測試，然後就是S24加註液氮的低溫測試、燃料加註測試，最後就是靜態點火。

/ 二、可回收火箭關鍵技術

與傳統的運載火箭相比，可重複使用火箭主要有以下關鍵技術需要攻克。

（一）可重複使用總體設計技術

全流程不僅涉及發射上升段，還涉及到回收返回段。返回過程涉及到總體、彈道、氣動、控制、載荷、防熱、結構等多個專業，各專業之間耦合強、相互約束，設計約束更嚴格。對於帶控制子級回收過程，需要開展控制方案設計和一子級的輔助動力裝置設計，如柵格舵。從趨勢上看，總體設計還需考慮全壽命周期的系統融合設計，採用智能技術，提高火箭的智能化水平，有利於重複使用運載火箭結構效率的提升。同時，運載火箭在回收飛行過程中會承受複雜多變的力、熱環境，特別是在一子級著陸、二子級再入大氣層中都會經受嚴酷的飛行環境條件，精確辨識與預示從飛行過程到返回過程中的力、熱環境對於加深可回收運載火箭的力學環境認識具有重要意義。

圖2 可重複使用總體設計技術

（二）可重複使用火箭發動機技術

返回時發動機多次起動需克服失重、超重、高動壓等複雜飛行環境帶來的各種內、外部干擾，發動機多次起動及推力精確調節技術研究是實現火箭回收的基礎。運載能力由發動機最大推力保證，為確保火箭平穩返回及著陸，需降低發動機推力。解決措施是採用發動機多機並聯技術，起飛時全部發動機額定工況工作，返回時關閉部分發動機。在有限的箭體空間內進行多機並聯，涉及箭體、結構、機構運動、熱防護等多個專業協同設計，還需全面考慮著陸衝擊、防火、返回後維護、檢修等全壽命周期涉及的技術問題。多機並聯總體布局優化可提高發動機推質比，有利於重複使用運載能力提高，降低維護、檢修時間和費用。

回收落地關鍵時刻，需要發動機快速變推力關機，以減小落地瞬間發動機後效衝量對箭體的衝擊和擾動。「獵鷹」9完美實現可靠回收的關鍵技術之一就是採用了面關機針栓式噴注器技術。採用面關機針栓式噴注器可實現發動機起動過程氧燃推進劑零充填使氧燃推進劑完全同步進入燃燒室，避免氧燃充填時序偏差對發動機起動衝擊影響，提高發動機起動工作可靠性；同時，面關機可實現發動機關機過程零容腔排空，顯著提高關機響應特性，實現快速關機減小後效衝量，提高火箭回收工作可靠性；採用針栓式噴注器，發動機可進行大範圍變工況，能夠更好地適應火箭回收工作。

多次點火可重複使用發動機，在整個壽命周期內均需要進行不同級別的故障診斷和健康評估工作，主要研究內容包括：開展發動機試車及火箭飛行信號的速變信號先進分析技術，實現發動機典型系統的異常檢測和故障判別；開展發動機速變與緩變信號的多物理場信息融合技術，有效減小故障誤診率和漏診率，獲取可重複使用發動機試車及火箭回收後的典型異常判別、故障定位和可重複使用決策；開展飛行試驗階段的發動機健康狀態評判應用研究，能夠基於遙測信號準確有效判別發動機全系統的健康狀態；開展液體火箭發動機速變信號及緩變信號融合的健康評估軟體開發，能夠為發動機試車/火箭飛行後故障診斷及健康分析提供方法。

圖3 發動機多機並聯

（三）可重複使用控制制導關鍵技術

垂直起降運載器再入返回過程中經歷多個飛行段，全程高精度導航系統的設計需要綜合考慮導航精度、觀測條件、安裝位置及大氣和發動機噴氣尾焰擾動等使用環境限制，可採用天文導航、視覺輔助、雷射雷達及衛星導航地面差分站相結合。在設計的時候，按照返回飛行速度小於500m/s時，定位精度優於0.2m。

圖4 某型商業火箭發動機二次啟動60%節流工況試車

運載器再入落點精度要求高，需要針對伺服動態、操縱面特性等關鍵要素進行核心參數設計，上升段需要可在線更改關機條件，一定範圍內變更著陸場信息，並結合推進劑約束實時評估可達區域、實現精確安全著陸。針對氣動影響的模型補償序列凸規劃方法開展研究，並使其在大氣層內火箭軌跡自主規划上開展應用，設計大氣層內火箭動力學中非線性項的序列補償策略，使得能夠將其轉化為凸規劃問題。通過研究大氣層內過程約束的序列凸化方法，能夠較好地處理非凸過程約束，並且不會降低軌跡優化求解的計算速度。在此基礎上，理論分析該序列凸規劃方法的收斂性，保證該方法能夠收斂原問題的局部最優解。設計建議採用不少於3個備選著陸場的動態重規劃能力，在線計算時間不大於1.5s。

圖5 動力下降制導問題的最小著陸偏差約束曲面

（四）結構輕質化技術

運載能力取決於結構效率，輕質化的結構設計是提升結構效率的重要途徑。「獵鷹」9雖為一款二級火箭，但其運載能力非常可觀，對應其超高的結構係數：一級0.95、二級0.97。結構輕質化的前提條件是火箭飛行和返回過程中力/熱環境的精細化辨識，針對重複使用，需兼顧結構材料的強度、疲勞、損傷容限。結構的能力提升則取決於輕質化比強度高材料的應用、先進位造工藝的應用。在材料結構應用方面，二級結構、常溫貯箱採用碳纖維復合材料結構。

特殊工藝和複雜結構則可採用3D列印技術，減少零件和工藝非必要結構，例如「人族」火箭的結構和發動機使用專門的3D列印合金製造，與傳統火箭相比，部件數量減少了99%。3D列印技術還通過最大限度地減少觸控點和前置時間來提高系統整體的可靠性和運營成本，例如「電子」火箭的發動機所有主要部件都是3D列印的，包括其發動機腔室、泵、主推進劑閥和噴射器等。

圖6「獵鷹」9復合材料級間段

（五）一體化綜合電子技術

傳統的航天電子系統按控制系統、測量系統、推進劑利用系統、總體網系統等開展獨立系統研製，存在計算、供配電、通信等資源重複，電子設備功能單一，CPU計算資源利用率低等問題。因此，需要統籌考慮飛行控制、測量、測發控等功能需求，突破傳統的設計約束，解決各功能存在交叉重疊等現象。技術涉及系統功能劃分、系統架構、系統布局、系統集成、系統傳輸、接口規劃與設計等眾多方面，主要通過基於標準架構的VPX 6U導冷標準的綜合電子技術，實現分散功能的集成化和組合化，簡化系統設備間電氣接口及連接關係；採用系統總線和高速機內總線實現信息一體化，全面提升運載火箭數字化水平。

圖7 一體化綜合電子技術架構圖

（六）緩衝著陸技術

火箭著陸過程中會受到衝擊載荷，其內部緩衝器設計是著陸支腿的關鍵組成部分，用於吸收火箭著陸期間的動能。其次，支腿具有足夠的剛度和強度，保證碰撞過程中不被損壞，並經過簡單檢測維修後能夠重複使用。

著陸支腿一般由著陸腿、緩衝裝置、展開鎖定機構及足墊等組成。火箭著陸支撐機構的作用是：能夠在火箭起飛上升階段收攏、壓緊，返回軟著陸前展開、鎖定，能夠緩衝著陸瞬間的衝擊力，碰撞時能夠調整適應火箭姿態，以防側翻，著陸完成後承擔火箭的重量。運載火箭發射飛行過程中，著陸支腿收攏壓緊於火箭箭身上，並設計成流線型氣動外殼以降低空氣阻力；在著陸時，利用高壓氦氣氣動系統打開4個著陸支架。它的輔助著陸腿由碳纖維材料和鋁合金蜂窩板製成，主著陸腿內裝有液壓緩衝器，用於減緩著落瞬間的衝擊力，提高著陸穩定性，從而在回收著陸平台上實現軟著陸。

圖8 某型商業運載火箭緩衝結構回收仿真

圖9「獵鷹」9火箭發射/回收全過程

/ 三、結論

目前，世界上只有SpaceX公司的商業可回收火箭實現了成功入軌，並引領著運載前沿技術的發展。對於我國商業運載而言，應直面差距，充分辨識可重複使用火箭的關鍵技術，不斷深入學習，推動新的技術創新和嘗試，全面突破可重複使用技術，向著航天強國不斷邁進。

本文原載於《中國航天》2022年第11期